Вакуумная микроволновая электроника. Физико-технические основы

А. И. Астайкин, Л. В. Воронина, А. Ф. Липатов, В. Б. Профе

Вакуумная 
микроВолноВая
электроника

Физико-технические осноВы

ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – 
Всероссийский научно-исследовательский  
институт экспериментальной физики»

учебное пособие по специальности 210100
«электроника и наноэлектроника»
(бакалавриат)

Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, 
доктора технических наук, профессора 
А. И. Астайкина

Саров
2012

 
 

 

 

ББК 22.313 
А 91 
УДК 621.385.6 
 
Одобрено научно-методическим советом Саровского физико-технического института Национального исследовательского 
ядерного университета Московского инженерно-физического  
                                           института 
 
Вакуумная микроволновая электроника. Физико-технические основы: Учебное пособие / А. И. Астайкин, Л. В. Воронина, А. Ф. Липатов, В. Б. Профе. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2012, 377 с. 
 
 
ISBN  978-5-9515-0197-4 
 
В пособии изложены физико-технические основы работы и особенности приборов вакуумной микроволновой электроники. Рассмотрены 
свойства вакуума, электронная эмиссия, электронно-оптические системы 
формирования и транспортировки потоков заряженных частиц, квазистатические и динамические методы управления потоками заряженных частиц, преобразование энергии электронного потока в энергию выходного 
сигнала микроволнового прибора, рассеяние остаточной энергии электронов 
в коллекторных системах, различные виды электродинамических структур. Рассмотрен также целый класс вакуумных микроволновых приборов. 
Изложены принципы и физические основы их работы, приведены конструкции и схемы включения приборов, параметры и области применения, 
а также основные тенденции и перспективы развития данных устройств. 
Книга предназначена для студентов и аспирантов соответствующих 
специальностей и будет полезна инженерно-техническим и научным работникам, специализирующимся в области исследования, проектирования 
и конструирования вакуумных микроволновых приборов и устройств. 
 
Рецензенты: 
главный научный сотрудник РФЯЦ-ВНИИЭФ, доктор физико-математических наук В. А. Терехин; декан радиофизического факультета ННГУ 
им. Н. И. Лобачевского, доктор физико-математических наук, профессор, 
А. В. Якимов 
 
 
ISBN  978-5-9515-0197-4                       ©   ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2012 

Содержание 
 
Список обозначений, сокращений и символов . . . . . . . . . . . . . . . .   7 
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  15 
 
1. Основные физические процессы и принципы действия  
    микроволновых приборов и устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . .  19 
1.1. Особенности микроволновых приборов и устройств  
       в сравнении с электронными лампами . . . . . . . . . . . . . . .  19 
1.2. Физические принципы работы микроволновых прибо-  
       ров и устройств. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  20 
 
2. Квазистатические и динамические методы управления  
    ПЗЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  27 
2.1. Способы управления ПЗЧ и основные типы взаимо- 
       действия СВЧ-поля с электронными потоками . . . . . . . .  27 
2.2. Взаимодействие электронного потока с СВЧ-полем 
       в приборах с электростатическим управлением . . . . . . . .  29 
2.3. Клистронное управляющее устройство. Модуляция 
       электронного пучка по скорости и его группирование  
       в дрейфовом пространстве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  33 
2.4. Скоростная модуляция и группирование электронов  
       в продольном поле бегущей волны . . . . . . . . . . . . . . . . . .  45 
2.5. Скоростная модуляция и группирование электронов  
       в поле бегущей волны при наличии постоянных  
       скрещенных полей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  57 
 
3. Микроволновый электронный прибор как преобра- 
    зователь энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   65 
3.1. Преобразование энергии электронного потока, 
       взаимодействующего с переменным электричес- 
       ким полем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  65 
3.2. Наведенные заряды и токи во внешней цепи  
       преобразующего устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  69 

3.3. Преобразование энергии модулированного элек- 
       тронного потока в устройстве с колебательным  
       контуром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  76 
3.4. Преобразование энергии модулированного электрон- 
      ного потока в устройстве с замедляющей системой . . . . .  81 
3.5. Преобразование энергии модулированного электрон- 
       ного потока в устройстве со скрещенными полями . . . . .  92 
3.6. Рекуперация энергии электронного пучка . . . . . . . . . . . .  96 
 
4. Электронно-оптические системы формирования ПЗЧ . . .  102 
4.1. Интенсивные электронные пучки . . . . . . . . . . . . . . . . . .  102 
4.2. Начальное формирование ленточных электронных  
       пучков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  107 
4.3. Начальное формирование аксиально-симметричных  
       электронных пучков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   113 
4.4. Начальное формирование полых (трубчатых)  
       аксиально-симметричных электронных пучков . . . . . .   122 
4.5. Формирование электронных пучков в скрещенных  
       электрических и магнитных полях . . . . . . . . . . . . . . . . .   124 
4.6. Собственные поля электронных пучков . . . . . . . . . . . . .  133 
4.7. Движение интенсивных электронных пучков  
       в свободном пространстве . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   139 
4.8. Потенциал пространства, занятого электронным  
       пучком . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  148 
4.9. Оценка предельных значений токов пучков . . . . . . . . . .  150 
4.10. Влияние положительных ионов на распростра- 
         нение электронных пучков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  155 
 
5. Системы ограничения поперечных размеров  
    интенсивных электронных пучков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  159 
5.1. Проблема ограничения поперечных размеров  
       электронных пучков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   159 
5.2. Системы однородного продольного магнитного  
       поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  159 
5.3. Однородная магнитная система поперечного ограниче- 
       ния аксиально-симметричного электронного пучка . . .   165 
5.4. Однородная магнитная система поперечного огра- 
       ничения ленточного электронного пучка . . . . . . . . . . . .  176 

5.5. Однородная магнитная система поперечного огра- 
       ничения полого (трубчатого) электронного пучка . . . . .  181 
5.6. Устройство систем, создающих однородное магнит- 
        ное поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  185 
5.7. Ограничение поперечных размеров электронных  
       пучков периодическими магнитными полями . . . . . . . .  187 
5.8. Электростатические системы поперечного ограниче- 
       ния аксиально-симметричных электронных пучков . . .  197 
 
6. Электронная эмиссия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  203 
6.1. Виды эмиссий заряженных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . .   203 
6.2. Энергия электронов в твердом теле . . . . . . . . . . . . . . . . .  204 
6.3. Поверхностный потенциальный барьер и работа  
       выхода электронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  209 
6.4. Контактная разность потенциалов . . . . . . . . . . . . . . . . . .  216 
6.5. Термоэлектронная эмиссия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  219 
6.6. Термоэлектронные катоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  229 
6.7. Автоэлектронная эмиссия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  246 
6.8. Фотоэлектронная эмиссия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   247 
6.9. Вторичная электронная эмиссия . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  248 
 
7. Физика и техника вакуума . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  250 
7.1. Свойства вакуума . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  250 
7.2. Методы создания вакуума . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  260 
7.3. Методы измерения вакуума . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  266 
7.4. Методы течеискания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  279 
 
8. Электродинамические системы микроволновых  
    приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   284 
8.1. Резонансный контур с сосредоточенными постоян- 
       ными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  284 
8.2. Объемный полый резонатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  286 
8.3. Замедляющие системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  291 
 
9. Микроволновые приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  299 
9.1. Клистроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  299 
9.2. Лампы бегущей волны типа О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  323 
9.3. Лампы обратной волны типа О . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   334 
9.4. Многорезонаторный магнетрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  345 

9.5. Лампа бегущей волны типа М . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  361 
9.6. Лампа обратной волны типа М . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   363 
9.7. Платинотрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  365 
9.8. Гиротрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  369 
 
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  375 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список сокращений и обозначений 

а 
– радиус спирали 
А0 
– универсальная постоянная Зоммерфельда 
B0 
– магнитная индукция постоянного магнитного поля 
Bкр 
– критическая величина магнитного поля 
Bb 
– бриллюэновская индукция магнитного поля 
Bк 
– магнитная индукция на оси в плоскости катода 
Bm 
– амплитуда магнитного поля 
b 
– радиус спирали, параметр рассинхронизма 
с 
– скорость света в свободном пространстве 
С 
– емкость, параметр усиления 
С1 
– погонная емкость 
Сj 
– коэффициент сходимости по плотности тока 
Сr 
– коэффициент сходимости по радиусу пучка 
d 
– межэлектродное расстояние 
dм 
– диаметр молекулы 
dт 
– эффективный диаметр молекулы 
D 
– расстояние между второй сеткой резонатора и отражателем, коэффициент прозрачности 
Еа 
– напряженность электрического поля на аноде 
Ек 
– напряженность электрического поля на катоде 
Е0 
– постоянная составляющая напряженности электрического 
поля 
Еm 
– амплитуда напряженности высокочастотного электрического поля 
E~ 
– переменная составляющая напряженности электрического 
поля 
Екин.макс – максимальная кинетическая энергия эмитируемых электронов 
Ек 
– потери тепла за счет конвекции 
Ет 
– потери тепла за счет теплопроводности газа 
Еи 
– потери тепла за счет излучения нити 

Ем 
– потери тепла за счет теплопроводности материала нити 
е 
– заряд электрона 
f 
– частота колебаний, фокусное расстояние линзы 
f0 
– резонансная частота 
fкр 
– критическая частота 
fг 
– частота генерируемых колебаний 
fр 
– рабочая частота 
Δf 
– полоса частот 
fb 
– функция распределения электронов пучка по скоростям 
Gе 
– электронная проводимость зазора 
G0 
– проводимость колебательного контура 
Gэл.н 
– активная проводимость электронной нагрузки 
Gполн 
– суммарная активная проводимость резонатора и нагрузки 
Gэ 
– коэффициент экранировки катода 
Вэл 
– реактивная проводимость зазора 
Yэл 
– электронная проводимость 
q 
– заряд 
Q0 
– поверхностный заряд 
Q 
– добротность колебательной системы, суммарный поток 
натекания газа 
Qэ 
– добротность контура, нагруженного внешней нагрузкой 
Q0e 
– добротность контура без внешней нагрузки, но с учетом 
электронной нагрузки 
H 
– напряженность магнитного поля, эффективность катода 
H0 
– напряженность постоянного магнитного поля 
h 
– шаг спирали 
ħ 
– постоянная Планка 
ψ 
– магнитный поток, угол намотки спирали, угол фазового 
сдвига между наведенным током и напряжением 
I0 
– постоянная составляющая тока пучка 
Iнав 
– амплитуда наведенного тока 
Iконв 
– амплитуда конвекционного тока 
Iпуск 
– пусковой ток 
Iк 
– ток в цепи коллектора 

Iа 
– анодный ток 
Iпр 
– предельный ток электронного пучка 
Im 
– амплитуда переменной составляющей тока 
Iн 
– ток накала 
Ie 
– электронный ток 
Iи 
– ионный ток 
Iф 
– фоновый ток автоэлектронной эмиссии 
Iв 
– ток вторичной электронной эмиссии 
iполн 
– полный мгновенный ток 
iконв 
– конвекционный ток пучка 
iнав 
– наведенный ток пучка 
j 
– плотность тока 
J 
– плотность конвекционного тока 
Jк 
– плотность катодного тока в пушке 
Jкр 
– плотность тока в кроссовере пушки 
Jнав 
– плотность наведенного тока 
Jсм 
– плотность тока смещения 
jX0 
– погонное сопротивление 
jВ0 
– погонная проводимость 
Г0 
– постоянная распространения в «холодной» ЗС 
Г 
– постоянная распространения 
γ 
– волновое число 
K 
– коэффициент усиления 
Kпр 
– коэффициент преобразования входного сигнала в выходной сигнал n-кратной частоты 
KМ 
– частота столкновений между молекулами газа 
Kn 
– критерий Кнудсена 
KS 
– коэффициент пропорциональности 
Kи 
– чувствительность прибора 
kзам 
– коэффициент замедления 
k 
– постоянная Больцмана, волновое число 
L 
– индуктивность ЗС, период ЗС, средняя длина свободного пробега молекул газа 
L1 
– погонная индуктивность 

Lпр 
– потери преобразования 
l 
– длина 
m0 
– масса свободного электрона 
M 
– коэффициент взаимодействия электронного пучка с 
полем зазора резонатора, масса ионов 
m 
– масса электрона 
n 
– 0,1,2,3, …порядковое число, концентрация молекул газа 
N 
– число замедленных длин волн, концентрация электронов проводимости, число резонаторов 
Ni 
– число ионов 
Ne 
– число электронов 
Nd 
– концентрация донорной примеси 
NA 
– число Авогадро 
ni 
– концентрация ионов 
ne 
– концентрация электронов 
P 
– мощность 
Р0 
– постоянная составляющая мощности 
Рген 
– генерируемая мощность 
Ра 
– активная составляющая мощности взаимодействия электронного потока с электрическим полем 
Рr 
– реактивная составляющая мощности взаимодействия 
электронного потока с электрическим полем 
P∼ 
– колебательная мощность 
Рвх 
– мощность входного сигнала 
Рвых 
– мощность выходного сигнала 
p 
– давление, номер пространственной гармоники 
pг 
– давление остаточного газа 
pн 
– удельная мощность накала 
r 
– радиус вращения электрона в постоянном магнитном 
поле 
rк 
– радиус катода 
rа 
– радиус анода 
rн 
– радиус наружной поверхности трубчатого пучка 
rв 
– радиус внутренней поверхности трубчатого пучка 

rтр 
– внутренний радиус трубы 
R 
– радиус, универсальная газовая постоянная, сопротивление нити 
Rэ 
– активное эквивалентное сопротивление 
Rсв 
– сопротивление связи 
Re 
– коэффициент отражения электронов от потенциального 
барьера 
Т 
– период колебаний, температура 
Тi 
– абсолютная температура ионного газа 
Tн 
– температура нити 
Tб 
– температура баллона 
t 
– время 
s 
– длина пространства группировки 
sопт 
– оптимальная длина пространства группировки 
S 
– площадь сечения пучка, площадь поверхности электрода 
S0 
– площадь сечения невозмущенного (однородного) пучка 
Sэсч 
– крутизна электронного смещения частоты 
u 
– мгновенное значение модулирующего напряжения 
U 
– разность потенциалов 
U0 
– напряжение, ускоряющее электроны в приборе 
U0кр 
– значение анодного напряжения в критическом режиме 
Um 
– амплитуда высокочастотного напряжения 
Uотр 
– абсолютное напряжение на отражателе клистрона 
Uк 
– напряжение на коллекторе 
v 
– скорость электрона 
v0 
– начальная скорость электрона 
v1 
– амплитуда переменной составляющей скорости электрона 
vф 
– фазовая скорость 
(vф)ос 
– фазовая скорость волны в цепи обратной связи 
vгр 
– групповая скорость 
vср 
– средняя скорость 
vвер 
– наиболее вероятная скорость 
vар 
– среднеарифметическая скорость 

vкв 
– среднеквадратичная скорость 
V 
– объем 
ω 
– угловая частота сигнала 
ωс 
– круговая циклотронная частота 
ωρ 
– плазменная частота 
ωL 
– ларморова частота 
W 
– волновое сопротивление ЗС 
Wк 
– кинетическая энергия 
Wп 
– потенциальная энергия 
WF 
– уровень Ферми 
x0 
– начальная координата электрона 
X 
– параметр группировки 
α 
– угол между направлением движения электрона и постоянным магнитным полем, параметр магнитного поля, 
температурный коэффициент работы выхода 
ρ 
– плотность объемного (пространственного) заряда, характеристическое сопротивление 
ρ0 
– постоянная составляющая плотности объемного заряда 

ρ1 
– амплитуда переменной составляющей плотности объемного заряда 
β 
– замедление волны, параметр пространственного заряда, 
релятивистский параметр 
βe 
– электронное волновое число 
βф 
– фазовая постоянная 
τ 
– время пролета 
θ 
– угол пролета электронов в зазоре резонатора 
θ 
– азимутальная (угловая) скорость электронов 
Θ 
– угол пролета электронов в пространстве группировки 
Θопт 
– оптимальный угол пролета в пространстве группировки 
η 
– коэффициент полезного действия (КПД) 
ηe 
– электронный КПД 
ηe макс 
– максимальный электронный КПД 
ηe рек 
– электронный КПД при рекуперации энергии 
ηполн 
– полный КПД 

ηр 
– КПД резонаторной системы 
Z0 
– характеристическое сопротивление 
λ 
– длина волны 
λ0 
– длина волны в свободном пространстве, коэффициент 
теплопроводности газа 
λe 
– электрическая длина волны 
λп 
– длина волны пульсаций 
λзам 
– длина замедленной волны в «холодной» системе 
μ 
– магнитная проницаемость 
μр 
– коэффициент усиления мощности 
ε0 
– диэлектрическая проницаемость 
εi 
– удельная ионизация 
ϕ 
– сдвиг фазы 
ξ 
– глубина рекуперации 
Ф0 
– относительный угол пролета электронов 
E 
– кинетическая энергия электронов, коэффициент лучеиспускания 
Eb 
– наименьшая отрицательная энергия электронов 
P 
– первеанс электронного пучка 
Pμ 
– микропервеанс электронного пучка 
P1 
– первеанс единичного пучка 
σ 
– коэффициент вторичной электронной эмиссии 
χ 
– величина электронного сродства или внешней работы 
выхода 
δп 
– коэффициент перекрытия диапазона 
ВМЭ 
– вакуумная микроволновая электроника 
ЛБВ 
– лампа бегущей волны 
ЛОВ 
– лампа обратной волны 
ВМПУ – вакуумные микроволновые приборы и устройства 
КС 
– колебательная система 
ЗС 
– замедляющая система 
ЭМП 
– электромагнитное поле 
ЭМВ 
– электромагнитная волна 
ИП 
– источник питания